[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

자연 현상, 어떻게 바라보냐에 따라 다양한 해석 가능

그 안에서 다양성 배우고 느낄 수 있어

 

 

가족행사 관계로 한국에 다녀 왔습니다. 돌아오는 비행기에서 항공운행 정보 화면을 뚫어지게 쳐다보던 아들 녀석이 갑자기 묻습니다.

 

“아빠, 지구가 자전을 서쪽에서 동쪽으로 하니까 밴쿠버에서 한국으로 갈때 비행기가 공중에 떠 있는 동안 한국이 비행기쪽으로 가까워지는 거쟎아. 그럼 밴쿠버에서 한국갈 때 시간이 더 짧게 걸려야 하는거 아니야? 왜 한국에서 밴쿠버로 돌아올 때가 더 시간이 짧게 걸려?”

 

서쪽에서 동쪽으로 비행할 때 반대 방향보다 시간이 짧게 걸리는 이유는 많은 분들이 알고 계시다시피 지구의 중위도 지역에서 형성되는 강한 편서풍때문입니다. 제트기류(jet stream)라고 불리는 이 강한 편서풍은 대류권 상층부와 성층권 하층부의 경계면인 대류권계면에서 형성되는 강한 바람으로 전향력(Coriolis force)에 의해서 서쪽에서 동쪽으로 이동합니다. 비행기가 이 제트기류와 같은 방향으로 날아갈 때에는 순풍에 돛단배와 같이 바람의 영향으로 더 빠르게 날아갈 수 있는 반면, 이와 반대로 운항을 할 때에는 역풍을 안고 나아가야 하기 때문에 시간이 더 걸리게 되는 것입니다.

 

하지만, 그럼 아들의 질문처럼 자전에 의해서 한국이 비행기쪽으로 마중을 나오듯이 다가오는 것은 왜 시간을 단축하지 못하는 것일까요? 이는 상대속도(relative velocity)와 관성계(inertial reference frame)라는 개념으로 이해할 수 있습니다.

 

버스에 두 학생이 맨 앞 좌석과 뒷 좌석에 앉아서 공을 주고 받는 놀이를 하고 있다고 가정해 보겠습니다. 이 버스는 최첨단 기술로 만들어져서 운행중에 승객들이 전혀 흔들림을 느낄 수 없습니다. 이러한 버스가 만약 일정한 속도로 직진만 하고 있다면, 버스에 타서 공을 주고 받고 있는 두 학생은 그들이 운동장에 서서 공을 주고 받고 있는 것과 전혀 차이를 느끼지 못할 것입니다.

 

만약 이들이 공을 1 m/s라는 속도로 주고 받고 있다면, ‘그들이 보기에’ 공은 버스의 앞뒤로 1m/s라는 일정한 속도로 왔다 갔다를 반복하는 것으로 보일 것입니다. 이렇게 일정 속도로 함께 움직이고 있는 공간을 관성계라고 하며, 관성계내에서는 그 속도와 무관하게 정지상태에의 물리법칙이 그대로 적용됩니다.

 

하지만, 이 모습을 버스 밖에 서있는 또 다른 친구가 바라보고 있고, 실제 버스는 10 m/s의 속도로 움직이고 있다고 가정합니다. ‘버스 밖에 서있는 친구가 보기에는’ 뒷 좌석의 친구가 공을 앞으로 던질 때는 공이 11 m/s로 앞으로 가는 것으로 보이고(공은 ‘이미’ 10 m/s로 움직이고 있는 버스와 함께 움직이는 중이므로), 공이 앞 좌석 친구쪽에서 뒷 좌석 친구쪽으로 던져지는 동안에도 9 m/s의 속도로 공은 ‘앞으로’ 가는 것으로 보이게 됩니다. 공이 움직이는 것 자체가 10 m/s로 움직이는 버스안에서 벌어지는 일이니 버스 밖의 학생에게 공이 뒤로 가는 것으로 보이는 것은 당연히 있을 수 없는 일입니다.

 

이렇게 관측자의 위치에 따라서 물체의 움직임이 다르게 보이는 것을 우리는 ‘상대속도’라고 하며, 우리 모두는 이러한 상대속도만을 느끼고 있을 뿐입니다. 지구밖에서 고속도로를 100 km/h라는 속도로 달리는 자동차를 보았을 때 그 속도가 100 km/h로 보일리 없는 것 역시 이와 같은 원리입니다. 그저 지구와 함께 움직이고 있기 때문에, 즉 동일한 관성계에 속해 있기 때문에, 스스로 멈춰있는 것이라고 착각하고 있는 우리들에게 100 km/h라는 속도로 ‘보이고’ 있는 것 뿐입니다.

 

실제 고등학교 학생들에게 이러한 상대속도에 대한 개념을 설명할 때, 자주 듣는 흥미로운 질문이 바로 버스 창문에 앉아있는 파리의 목숨입니다. 즉, 버스가 달리고 있는 동안에 파리가 창문에서 날아오르면 이제는 버스에 붙어있지 않으니 버스가 앞으로 달려서 마침내 버스의 뒷창문에 부딫혀 죽을 수 밖에 없는 것 아니냐는 질문입니다.

 

얼핏 들으면 그럴 듯한 이야기가 실제로 일어나지 않는 중요한 키워드는 애초에 파리가 버스에 붙어있었다는 것입니다. 즉, 파리도 정지상태가 아니라 버스와 함께 동일한 속도로 움직이고 있던 것이기 때문에 파리가 버스에서 날아올라도 버스와 동일하게 앞으로 가고 있는 것입니다.

 

만약에 10 m/s 속도로 달리는 버스에서 물건을 밖으로 던져서 ‘밖에 있는 사람이 보기에’ 물건이 포물선을 그리지 않고 똑바로 아래로 떨어지게 만들려면 어떻게 하면 될까요?

 

바로 버스와 정확히 동일한 속도, 즉 10 m/s의 속도로 버스에서 움직임의 반대 방향으로 던지면, 두 속도 벡터가 서로 상쇄되어 물체는 정지상태가 되고, 중력에 의해 연직방향으로 떨어지게만 됩니다.

 

이와 마찬가지로 파리도 버스의 움직임에 반대되는 방향으로 일부러 가속하지 않는 한, 단지 날아오르는 것 만으로는 뒷 창문에 부딪히지 않는 것입니다.

 

한국이 비행기에게 다가오는 것 같지만, 밴쿠버에서 한국쪽으로 비행기가 날아갈 때 비행시간이 그러한 이유로 단축되지 않는 이유가 바로 이 파리가 뒷 창문에 부딪히지 않는 이유와 같습니다.

 

이미 비행기가 자전을 하고 있는 지구에서 이륙한 것이기 때문에 지구의 자전 움직임과 동일한 움직임이 비행기에 그대로 있고, 이는 자전을 하지 않고 가만히 멈춰있는 곳에서 비행기가 이륙하여 가만히 멈춰있는 한국으로 비행하는 것과 그 움직임이 다르지 않기 때문입니다. 즉, 이륙을 했다하더라도 비행기는 지구라는 관성계를 벗어난 것이 아닌 것입니다.

 

우리는 지구와 다른 행성들이 태양주변을 원형, 또는 타원 궤도를 따라 돌고 있다고 생각합니다. 하지만 관점을 조금 더 멀리 가져가 보면 이 우주는 팽창하고 있고 태양 역시 우주의 중심으로부터 멀어지고 있기 때문에 먼 우주에서 태양계를 바라본다면, 그 움직임은 단순히 정지해 있는 태양 주변을 8개의 행성이 따분하게 돌고 있는 것이 아니라, 총알처럼 나아가는 태양주변에 8개의 행성이 나선구조를 그리며 마치 용이 하늘로 승천하듯이 태양 주변을 따라가고 있는 모습이 될 것입니다.

 

즉, 세상에 모든 것들은 현상은 한가지이지만, ‘관점’에 따라서 완전히 다르게 해석이 가능하며, 이들은 ‘다른 관점’에서 비롯되었을 뿐, 동일 현상을 설명하는 올바른 해석들인 것입니다.

 

비록 상대속도라는 개념은 고등학교 물리에서 배우는 기본적인 물리법칙이지만, 이를 잘 생각해보면, 내가 내 눈으로 직접 목격한 것이라 하더라도 그것은 단지 나의 ‘관점’에서 그렇게 보일 뿐, 다른 이에게는 충분히 다르게 보일 수 있는 것이라는 것을 깨닫게 됩니다.

 

나와 남의 관점의 차이를 이해할 때, 서로 다르게 보인다 하더라도 그 모든 것이 다르게 보이는 것일 뿐, 옳고 그름의 차이가 아니라는 받아들일 수 있다는 점에서 과학적 이해가 철학적 이해, 사회학적 이해와 크게 다르지 않다는 생각을 해 봅니다.

 

석준영